摘 要

本文首先介绍了磁电效应和磁电材料的定义，研究历史及现状。之后着重介绍了磁电复合材料的演变历史以及当前存在的问题。主要研究了MnZnFeO/PZT复合材料制备的双悬臂梁结构的工作特性，通过实验比较分析了磁隙、偏置场、磁导率、输入频率等参数对双悬臂梁结构器件磁电效应的影响。最后建立了理论模型并进行验证。

关键词：磁电效应；双悬臂梁；谐振频率；偏置场

Abstract

Firstly, this article introduced the definition, research history and status quo of magnetoelectric effect and magnetoelectric materials. After that, the history of magnetoelectric composites and the existing problems are emphasized. Then，the working mechanism of the bi-cantilever beam structure formed by MnZnFeO/PZT composites were analyzed. The effects of magnetic gap, bias field, permeability, input frequency and other parameters on the magnetoelectric effect of the bi-cantilever beam structure device were analyzed and compared experimentally. Finally, we will establish a theoretical model to explain the vibration model of bi-cantilever.

Key words: Magnetoelectric effect；Double cantilever beam；Resonant frequency；Bias field

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 5

1.1磁电效应 5

1.1.1磁电效应的定义 5

1.1.2磁电效应的研究历史及现状 5

1.2磁电材料 6

1.2.1磁电材料的分类 6

1.2.2单相磁电材料 7

1.2.3磁电复合材料 7

1.2.4磁电材料的研究历史及现状 8

1.3研究内容以及意义 9

第二章 实验结果与讨论 11

2.1试验样品制备 11

2.1.1高磁导率铁氧体 11

2.1.2压电材料 13

2.2样品的制备和磁电性能表征 13

2.2.1样品的制备 13

2.2.2磁力磁电效应的测量 13

第三章 理论模型的建立和验证 22

3.1理论模型的建立 22

3.1理论模型的验证 22

第四章 总结 23

致谢 23

参考文献 24

第一章 绪论

本章先后先介绍了磁电效应和磁电材料的定义，研究历史及现状。之后着重介绍了磁电复合材料的演变历史以及当前存在的问题。

1.1磁电效应

1.1.1磁电效应

磁电效应定义为在外加磁场（H）作用下的电介质极化或者在外电场（E）作用下的磁化。

在其最一般的形式中，磁电效应（ME）表示材料的磁性和电性质之间的任何耦合，这种效应的第一次被提出是在1888年，由 Wilhelm Röntgen发现^[1]。他发现在电场中移动的电介质材料会被磁化^[2]。这种实际上存在的耦合被称为磁电耦合。

历史上，这种效应的第一个也是研究最多的例子是线性磁电效应。在数学上，虽然电磁敏度和磁化率描述了对电的极化响应，磁场也可能存在一个磁电磁化率，它描述了电场对磁场的线性响应，反之亦然^[3]：

其中，P是电极化，M是磁化，E和H是电场和磁场。张量在两个方程中必须相同。

从理论上预测和验证了本征线性磁电效应的第一种材料是Cr2O3^[4,5]。这是一种单相材料。多铁性材料是另一种单相材料，如果它们的磁性和电性耦合，它们可以表现出一般的磁电效应^[6]。

复合材料是实现磁电效应的另一种方式。所谓复合材料就是两种材料的结合，比如磁致伸缩材料和压电材料。这两种材料通过应变相互作用，导致复合材料发生磁性和电性之间的耦合。

在磁场以及可调微博滤波器的灵敏度检测等方面，磁电效应有这相当远大的前景。

1.1.2磁电效应的历史和发展

磁电效应第一次被讨论是在1888，由威尔姆伦提出，他提到通过电场的介质材料会被磁化。

在1894年，P. Curie推测出（非移动）材料中的固有磁电效应的可能性^[7]。而到了1926年，‘磁电’这个词才首次被P. Debye所创造^[8]。线性磁电效应的数学表达式被收录在L.D.Landau和E.Lifshitz所著的理论物理系列丛书中。而直到1959年，I. Dzyaloshinskii才通过对称性研究得出Cr₂O₃中线性磁电耦合的形式。

Astrov在几个月后的实验中观测到了Cr₂O₃的正磁电效应。Folen^[9]和Rado^[10]等在不久后证实逆磁电效应。正逆磁电效应的证实在学术界引起了不小的轰动，从此之后，科学家们开始致力于从研究磁电效应产生的原因。8年后，Hornreich和Shtrikman1在微观立场上解释了Cr₂O₃中磁电效应的起因^[11]。20世纪50年代末，Smolensky和Ioffe合成了同时具有铁电性和弱铁磁性的陶瓷形态反铁磁Pb(Fen₅Nba₅)O₃。之后，Brown在微扰理论的基础上得到了磁电耦合系数的上限。

之后的岁月里磁电效应的研究达到了一个小高潮。例如1973年第一届磁电相互作用专题讨论会（Magnetoelectric Interaction Phenomena in Crystals,简称MEIPIC）得以召开^[12]。陆续有80多种线性磁电化合物材料在这一时期被发现，而且证明出具有磁电效应^[13]。同年期间，磁电效应的其他用途被Wood和Austin指出^[14]。可是由于制备工业的复杂和时代科技的限制，有关这方面的研究陷入迟滞，迟迟不能有所突破。1993年,第二届磁电相互作用专题讨论会召开^[15]。这届讨论会提出了术语multiferroic^[16],这一术语也渐渐被学术圈所接纳。随后在理论研究方面也有了一定的进展,如在研究复合磁电材料时用多重散射格林函数法等^[17]。

当今，随着科学技术的进步，磁电效应的研究再次进入前沿。同时，随着磁电材料的发展，人们对磁电效应也越来越重视。

1.2磁电材料

1.2.1磁电材料的分类

能产生磁电感应的材料一共有两类，分别是单相磁电材料和磁电复合材料。单相磁电材料的磁电电压系数通常在20 mVcm-1Oe-1以下，难以达到人们的需求并且只能在低温条件下工作，其原材料和制作成本很高，循环使用容易老化。而磁电复合材料就没有以上的缺点并且其磁电效应是单相材料的几百倍，因此，科研人员们都将研究重心放在了磁电复合材料上。

1.2.2单相磁电材料

单相磁电材料结构单一，简单来说就是由单一材料制成的磁电材料。单相磁电材料有两种性质：（1）自旋磁化，（2）铁电极化。按照这两种性质可以将单相磁电材料分为磁-电材料和铁磁-铁电材料。前者只具有性质（1），后者两种性质都有^[18]。对于这两种不同的磁电材料，其磁电效应的来源也不同。磁-电材料磁电效应的来源较为复杂，是多种因素共同作用产生的。而铁电-铁磁材料的磁电效应主要来源只有两个，一个是外场作用下的耦合，另一个是本征耦合^[19]。20世纪60年代末70年代初，一批研究人员越过重重难关，发现了铁电磁材料。这种磁电材料的铁磁性和铁电性可以同时存在并不相互抵触。

相关图片展示：